Debido al cambio climático global, las tormentas eléctricas son cada vez más frecuentes. Según estadísticas de la Organización Meteorológica Mundial (OMM), el promedio mundial de días con tormenta eléctrica en 2023 aumentó un 18 % en comparación con la década anterior, con un crecimiento especialmente significativo en el Sudeste Asiático, África y América del Norte. Los rayos y las sobretensiones causan anualmente más de 5 millones de dólares en pérdidas directas a los sistemas eléctricos mundiales, siendo los transformadores —el equipo principal de las redes eléctricas— los más vulnerables debido a sus sistemas de aislamiento.

Para abordar este desafío, la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) han publicado diversas normas (como IEC 60099-4 e IEEE C62.11), que promueven el desarrollo de tecnologías de protección colaborativa para pararrayos y transformadores. Este artículo analizará cómo garantizar la seguridad de los equipos eléctricos mediante una estrategia de protección multinivel, que combina normas internacionales y prácticas de ingeniería globales.

Contenido

1. Mecanismos de impacto de rayos y peligros directos

Las corrientes de rayo se caracterizan por su alta amplitud (10-200 kA) y su rápido tiempo de subida (1-10 μs). Su energía puede romper instantáneamente los materiales aislantes. Por ejemplo, un rayo negativo típico con una forma de onda de 10/350 μs (según la norma IEC 62305) y una corriente pico de 100 kA libera energía equivalente a la explosión de una décima parte de una tonelada de TNT. Cuando las corrientes de rayo invaden subestaciones a través de líneas de transmisión, generan los siguientes efectos en los devanados de los transformadores:

(1)Inducción electromagnética:El campo magnético transitorio induce voltajes de varios kilovoltios en los devanados.

(2) Elevación del potencial terrestre (GPR):Si el sistema de conexión a tierra tiene una resistencia alta, las corrientes del rayo provocan un aumento repentino en el potencial de tierra local, creando un "voltaje de retroceso de corriente".

●Sin la protección adecuada, los rayos pueden provocar:

(1) Rotura del aislamiento:Los gradientes de alto voltaje carbonizan el aislamiento de papel y aceite del transformador, provocando cortocircuitos internos.

(2) Quema del devanado:El calentamiento Joule (Q=I²Rt) producido por las corrientes de los rayos puede elevar las temperaturas locales por encima de los 1000 °C.

(3)Explosión del equipo:El aceite aislante se descompone en gases inflamables (por ejemplo, hidrógeno) a altas temperaturas, lo que provoca explosiones cuando se expone a arcos.

Caso de estudio:En 2022, la caída de un rayo provocó la rotura de un buje de un transformador en una subestación de Mumbai, lo que provocó un incendio de petróleo, una explosión, un apagón de 12 horas y 2 millones de dólares en pérdidas directas.

2. Tecnologías clave de los pararrayos: de la "descarga pasiva" a la "limitación inteligente de tensión"

● Características no lineales de los pararrayos de óxido metálico (MOA)

Los descargadores tradicionales de carburo de silicio (SiC) están siendo reemplazados por descargadores de óxido metálico (MOA) debido a su lento tiempo de respuesta (~100 ns) y alta tensión residual. Los MOA utilizan óxido de zinc (ZnO) dopado con metales traza (p. ej., Bi₂O₃, CoO), lo que presenta características voltamperiales no lineales:

(1)Zona de baja tensión (<1 kV/mm):La resistividad alcanza los 10⁸ Ω·m, lo que permite casi ningún flujo de corriente.

(2)Zona de alta tensión (>3 kV/mm):La resistividad cae a 1 Ω·m, formando una ruta de descarga de baja resistencia.

Efecto:Los MOA responden en 25 ns y reducen la tensión residual en un 40 % en comparación con los descargadores tradicionales. Por ejemplo, bajo una descarga de 100 kA, los MOA limitan la tensión de línea por debajo de 300 kV (conforme a la norma IEC 60099-4), lo que previene fallos de aislamiento en el transformador.

Caso de estudio:La red EGAT de Tailandia implementó MOA en subestaciones de 230 kV, reduciendo las fallas de transformadores de 1.5 a 0.2 incidentes por año, una mejora del 86 % en la eficiencia de la protección.

● Coordinación de aislamiento entre pararrayos y transformadores

La eficacia de los pararrayos depende de los niveles de aislamiento del transformador de adaptación. Según la norma IEC 60071-1:

Uprotección ≤ 0.85 × Uresistencia
dónde:

(1)Uprotect: Tensión residual del pararrayos

(2)Uwithstand: Nivel básico de aislamiento de impulso tipo rayo del transformador (BIL)

Prácticas de ingeniería:

(1)Optimización de la distancia:Instale pararrayos a ≤50 metros de los transformadores (recomendación IEEE C62.22) para minimizar los efectos de inductancia de línea.

(2)Protección multietapa:Utilice MOA de tres etapas en las entradas de línea, barras colectoras y terminales del transformador para reducir progresivamente la magnitud de las sobretensiones.

3. Diseño de aislamiento reforzado del transformador contra descargas de rayos

● Aislamiento de gradiente y ecualización del campo eléctrico

Los transformadores modernos utilizan un aislamiento de gradiente alterno de aceite-papel, donde las constantes dieléctricas (εᵣ) aumentan exponencialmente con la distancia desde los devanados:

εᵣ(x) = εr₀ · eᵏˣ

Este diseño reduce los campos eléctricos máximos de 8 kV/mm a menos de 3 kV/mm.

Postulación:Ideal para subestaciones en regiones con fuertes tormentas eléctricas (por ejemplo, Sudeste Asiático, África), ya que cumple con los requisitos BIL mejorados de IEC 60076-15 (mejora del 20 al 30 %).

● Optimización del devanado resistente a los rayos

Diseños clave para mitigar el desequilibrio de corriente y el sobrecalentamiento:

(1) Bobinado de transposición continua:Cada giro se transpone 3 o 4 veces, lo que reduce las pérdidas por remolinos en un 60 %.

(2)Blindaje electrostático:Los blindajes de cobre entre los devanados y los núcleos igualan los campos eléctricos a través del acoplamiento capacitivo, reduciendo la intensidad del campo local en un 50%.

Efecto:Los transformadores optimizados de ABB reducen el aumento de temperatura del devanado de 120 °C a 65 °C con descargas de 10 kA, triplicando la vida útil del aislamiento.

4. Sinergia entre sistemas de puesta a tierra y monitoreo inteligente

● Rejillas de puesta a tierra de baja impedancia

Según IEEE 80, la resistencia de puesta a tierra debe satisfacer:

Rground ≤ (límites de tensión) / (corriente del rayo)
Para descargas de 50 kA, Rtierra ≤ 0.001 Ω. Soluciones            incluir lo siguiente:

(1)Electrodos de pozo profundo:Enterrado a 30–100 metros en suelo de baja resistividad (<50 Ω·m).

(2)Rejillas de malla de cobre:Área de sección transversal ≥120 mm², espaciamiento ≤5 metros, reduciendo la tensión de paso a <40 V.

Postulación:Eficaz en zonas de alta resistividad (por ejemplo, desiertos de Oriente Medio).

● Sistemas de Monitoreo en Línea

Los sensores en tiempo real proporcionan advertencias tempranas de fallas:

(1) Corriente de fuga del pararrayos:Reemplace las válvulas MOA cuando la corriente resistiva (IR) exceda el 15 % de la corriente total (IEC 60099-5).

(2)Descarga parcial del transformador:Sensores UHF (300 MHz–3 GHz) localiza defectos con≤Error de 10 cm utilizando algoritmos de diferencia de tiempo (TDOA).

Caso de estudio:Alemania'La red E.ON extendió los ciclos de reemplazo de pararrayos de 5 a 8 años, redujo los costos de mantenimiento en un 40% y logró una precisión de fallas del 95%.

Tabla 1: Medidas y aplicaciones de protección contra rayos

En resumen

La protección contra rayos se basa en el control de la energía y la sinergia del sistema. Los pararrayos desvían las corrientes de los rayos, los transformadores resisten las sobretensiones gracias a un aislamiento optimizado, y los sistemas de puesta a tierra/monitoreo garantizan la fiabilidad. Para los usuarios globales, es fundamental seleccionar soluciones que cumplan con las normas IEC/IEEE y se adapten a las condiciones climáticas regionales. Los avances futuros, como los pararrayos de banda ancha (SiC/GaN) y el aislamiento autorreparador, podrían lograr cero daños por rayos.

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